Способ инициирования анаэробного процесса сбраживания органических веществ

 

Изобретение относится к переработке органических веществ в процессе сбраживания за счет инициирующего участия микроорганизмов. Анаэробный процесс сбраживания органических веществ осуществляют путем их термофильного биохимического расщепления в водной среде. Органические вещества в водной среде предварительно подвергают воздействию высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации. Органические вещества в водной среде отделяют от зоны разряда сеткой. Изобретение позволяет ускорить процесс анаэробного сбраживания органических веществ. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к способу получения продуктов переработки органических веществ в процессе сбраживания за счет инициирующего участия микроорганизмов, обладающих повышенной активностью, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, включая микробиологическую и пищевую промышленность.

В последнее время большое внимание уделяется процессам переработки органических веществ, включая отходы животного, бытового и растительного происхождения, при получении различных целевых продуктов.

Известны способы анаэробного разложения органических веществ метанобразующими бактериями в процессе бескислородной биологической конверсии путем термофильного и мезофильного брожения [Экологическая биотехнология. / Под ред. К.Ф. Форстера и Д.А. Дж. Вейза. Л.: Химия, 1990].

К недостаткам описанных способов следует отнести невысокий выход целевых продуктов за счет малой эффективности технологического процесса.

Известен способ получения биогаза, предусматривающий повышение активности метанового сбраживания органического субстрата с использованием стимуляторов метаногенеза в виде комплексных соединений ацетата никеля с этилендиамином или никеля с глицином [Патент РФ 1838415, МКИ С 12 Р 5/02, C 02 F 11/04, 1993].

Недостатком способа является необходимость использования стимуляторов метаногенеза, что оказывает влияние на чистоту выхода конечных продуктов, усложняет техпроцесс и удорожает производство.

Известен способ подготовки органического сырья для микробиологической, бродильной и комбикормовой промышленности. Характерной особенностью способа является то, что каталитическую реакцию осуществляют путем электрогидравлической обработки органического сырья в смеси с водой [Авторское свидетельство 275028, Кл. C 12 N 1/00, 1968].

Недостаток известного способа заключается в том, что в процессе обработки в зону электрического разряда попадают органические вещества, которые, распадаясь под воздействием высокой температуры, образуют зольные частицы, тормозящие ход химических реакций и приводящие к загрязнению и снижению выхода целевого продукта.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ переработки органических веществ методом анаэробного сбраживания путем термофильного биохимического расщепления в водной среде [Патент РФ 2056373, МКИ C 02 F 11/04, 1996].

Недостатком способа являются малая производительность и высокая чувствительность метаболической активности к перепадам температуры.

Предлагаемый способ решает задачу ускорения анаэробного процесса сбраживания органических веществ путем активирования жидкой фазы субстрата, что способствует более полному расщеплению органики и увеличению выхода метаногенных бактерий.

Ввиду того, что многие процессы химической технологии идут в водной среде, в данном случае она служит основной составляющей для протекания биохимических процессов в живой клетке.

Сущность изобретения заключается в том, что ускорение процесса биохимического расщепления органических веществ осуществляют высоковольтным разрядом в жидкой фазе при одновременной подаче воздуха в зону электрического пробоя. Причем органические вещества отделяют от зоны разряда сеткой.

Предварительная обработка повышает биоэнергетику смеси благодаря более глубокому расщеплению органической составляющей как под воздействием электрогидравлического удара, так и благодаря увеличению в субстрате атомарного кислорода-окислителя за счет разложения воздушного потока в зоне разряда и появления активных свободных радикалов. Все эти факторы провоцируют ускоренное зарождение микроорганизмов и увеличение скорости брожения.

Установлено, что химические реакции после такой обработки протекают при более низкой температуре и весьма быстро.

Высокая скорость объясняется повышенной активностью ферментов, которая в 1,5 раза выше, чем у не катализируемой биореакции при высокой степени обеззараживания отходов.

Пример (прототип) 1. Для получения микроорганизмов в условиях анаэробного сбраживания органических веществ используют жидкий субстрат - смесь воды с куриным пометом при концентрации сухого вещества 25%, который подвергают биохимическому расщеплению при температуре 54^oС, что соответствует наивысшему значению метаболической активности.

Развитие метангенерирующих микроорганизмов не способствует увеличению выхода биогаза ввиду недостаточной активности ферментов в процессе брожения.

Пример 2. Для получения микроорганизмов в условиях анаэробного сбраживания органических веществ используют жидкий субстрат, смесь воды с куриным пометом при концентрации сухого вещества 25%, который предварительно подвергают высоковольтной обработке электрическим разрядом 9 кВ, количеством импульсов 7 в течение 11 секунд, при этом органическая составляющая субстрата от зоны действия искрового промежутка отделена сеткой, одновременно в зону искрового промежутка вводят поток воздуха и осуществляют биохимическое расщепление органики при 54^oС без доступа воздуха.

Под воздействием высоковольтного импульсного разряда скачком меняются термодинамические характеристики: плотность, магнитная и электрическая восприимчивость, ряд других особенностей в поведении органического субстрата. Структура воды претерпевает весьма существенные изменения, вплоть до ее разрушения и создания новой структуры, обусловленной расслоением жидкого органического субстрата на фазы различного состава.

Значительный рост флуктуации приводит к изменению прозрачности, в результате чего наблюдается изменение спектра мутности жидкой среды.

Экспериментально установлено явление фазового перехода в водном органическом растворе, подвергнутом высоковольтной импульсной обработке, заключающейся в структурной перестройке воды с перераспределением электрических зарядов на границах раздела и проявляющейся в расслоении водного субстрата на верхний слой в виде льдоподобных образований из органических веществ, располагающихся в пустотах каркаса жидкости, и нижний более плотный слой с органической составляющей, пространство между которыми разделено квазижидким слоем. Причем промежуточный слой по отношению к верхней и нижней поверхностям имеет электроотрицательный потенциал (фиг.1).

Межфазное расщепление водного субстрата представляет электрохимическую систему, которая на границе трех сред осуществляет сложный переход органических веществ. Электрическое поле ионов изменяет ориентацию дипольных молекул жидкости, искажая тем самым первоначальную ее структуру и входящего в состав органического вещества, поскольку взаимодействие ион - вода и ион - вода - субстрат резко отличается от взаимодействия вода - субстрат. Появление ионов приводит к двум взаимно противоположным изменениям, нарушая тем самым упорядоченность молекул, характерную для необработанного водного субстрата. Этот разупорядучивающий эффект связан с увеличением энтропии.

Электроимпульсный разряд перестраивает структуру водного раствора органических веществ и создает активные центры, изменяющие соотношение скоростей отдельных стадий сложной каталитической реакции анаэробного сбраживания, и усиливает электронный обмен между компонентами субстрата.

Переход частиц органических веществ в процессе химического расщепления происходит скачкообразно, совершая тем самым активированный переход из нижнего слоя в верхний, минуя жидкий промежуточный слой, что приводит к появлению на поверхности новых заряженных частиц, влияющих на перестройку реакционных центров субстрата. По истечении процесса сбраживания наблюдаемый процесс ослабевает, наблюдается рекомбинация частиц, находящихся на верхнем уровне, и переход их на нижний уровень энергии, верхний слой исчезает и система переходит в пассивное состояние. Обнаруженное явление квантовой жидкости позволит раскрыть специфические закономерности атомно-молекулярного строения структуры воды. Сравнивая значения электрических параметров контактирующих поляризованных фаз, можно предсказать тот или иной гетерогенный процесс.

Токи, наведенные в системе субстрата, позволяют управлять процессом разложения органических веществ и стимулировать зарождение и рост микроорганизмов. На фиг.2 и фиг.3 представлены структуры биопленки, выращенные в условиях анаэробного сбраживания субстрата без обработки - фиг.2 и после высоковольтной обработки - фиг.3, на которых отчетливо видны изменения, а именно после высоковольтной обработки на поверхности биопленки наблюдается наличие микроструктурированных частиц.

Каталитическая активность дефектной структуры в 1,8 раза выше по сравнению с известным способом.

Экспериментально установлено изменение гранулометрического состава органических составляющих субстрата в процессе сбраживания (табл. 1).

Полученные результаты исследований свидетельствуют о более глубоком расщеплении органических веществ и высокой активности процесса метаногенеза.

Примеры 3, 4, 5. Для инициирования процесса анаэробного сбраживания органических веществ используют жидкий субстрат - смесь воды с куриным пометом при концентрации сухого вещества 25%, в котором жидкую составляющую, отделенную от органического вещества сеткой, подвергают высоковольтному разряду 9 кВ в условиях аэрации по режимам, представленным в таблице 2.

Предлагаемые технические решения позволяют осуществить подготовку сырья к сбраживанию путем усиления окислительных процессов продуктами разложения воздуха электрическим разрядом (азот, кислород, озон) воды (гидроксильная группа ОН) и активации реакции в объеме субстрата благодаря модифицированию ферментов под воздействием электрогидравлического удара. Причем активность ферментов в 1,2-1,5 раза выше, чем у не катализируемой биореакции.

В конечном итоге суммарное воздействие выше перечисленных факторов стимулирует высокую скорость, которую можно объяснить многоцентровостью реакции, что в свою очередь инициирует процесс развития метангенерирующих микроорганизмов. Способ позволяет получить обеззараженное гомогенизированное органическое удобрение высокого качества.

Экспериментально установлено, что в процессе предварительной обработки сырья высоковольтным электрическим разрядом генерируется энергия, которая способствует активизации биологических процессов и обеспечивает намного интенсивный рост микроорганизмов, упорядочивает внутреннюю структуру и увеличивает их активную удельную поверхность по сравнению с известным методом.

Формула изобретения

1. Способ инициирования анаэробного процесса сбраживания органических веществ путем термофильного биохимического расщепления в водной среде, отличающийся тем, что органические вещества в водной среде предварительно подвергают воздействию высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что органические вещества в водной среде отделяют от зоны разряда сеткой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5